自动气象观测系统多数据源冗余传输设计思考

2019-11-20民航天津空管分局

民航管理 2019年10期

□ 民航天津空管分局高宇/ 文

自动气象观测系统是民航机场的重要空管保障设施，由布置在跑道附近的多组气象传感器、通信传输设备和中央数据处理设备构成，能够实时测量机场跑道的各类气象要素，为机场气象部门、空中交通管制部门及航空公司提供实时天气数据服务。由于自动气象观测系统对于机场空管运行的重要性很高，对中央数据处理系统等核心设备采用主备双机设计，对重要的探测传感器也采用备份设计，从而大大提高整体运行的可靠性。而对于通信传输子系统，一般也采用多数据源互备的传输方案提高通信传输的可靠性。本文实例分析了多数据源冗余传输设计，提出了自动气象观测系统的冗余通信传输设计需要思考并关注的问题。

自动气象观测系统通信传输方案

民用航空自动气象观测系统（Automatic Weather Observing System，简称AWOS）传感器包括：风向传感器、风速传感器、气压传感器、气温传感器、湿度传感器、雨量传感器、云高仪、大气透射仪或前向散射仪、背景光亮度传感器等。这些安装在飞行区室外的传感器设备需要高可靠的通信传输系统，高效、稳定地将数据传输至室内的中央数据处理单元，并经中央数据处理单元处理、计算后生成最终数据产品向用户提供。

民用航空自动气象观测系统应当具有通过有线和无线的通信方式，远程传输实时数据及系统监控信息的功能；自动气象观测系统的各类传感器都是串口输出数字信号，具有数据量小、频次高、时效要求高的共同特点，技术规范中的有线通信方式一般采用光纤传输，在发送端通过协议转换设备将串口输出的电信号转换成光信号，在接收端再通过协议转换设备将光信号还原成电信号（如图1 所示）。无线通信方式可采用无线网桥、微波站、手机4G 网络等方式，同样在发送端和接收端通过协议转换设备实现传输（如图2 所示）。

为了提高通信传输的可靠性，就需要设计冗余的通信传输系统，通过两种或更多种通信手段同时将传感器的输出数据传输至中央数据处理单元，在中央数据处理单元前端增加多数据源比选设备或比选软件优选出可靠的数据来源，确保传感器的数据稳定可靠（如图3 所示）。

在冗余的通信传输系统中，数据源比选的功能模块具有至关重要的作用。为提高其可靠性，一般将多数据源比选软件（软件实现的多数据源比选模块）同时安装在自动气象观测系统的主、备服务器中，实现多数据源的自动切换，即当主用数据源中断或数据接收超时，切换到备用数据源进行传输。数据源比选逻辑见图4。

冗余通信设计方案的思考

在上述的冗余通信设计方案中，多数据源比选软件能够根据用户设定的超时阈值判定数据源是否可用，并自动进行切换。自动气象观测系统传感器的数据传输速率一般为300至9600 波特，发送间隔为1 秒至数秒。无论是光纤有线通信手段，还是微波、网桥等无线通信手段，其传输速率和带宽完全能够满足设备需求。但是，这个方案还是存在一些不易发现的问题。

（1）数据源是否可用的判断标准只与信号通断或者数据是否超时相关，当数据源出现误码、校验等传输错误时，该比选逻辑不会动作，不能起到备份的作用。

（2）某些传感器设备不以固定的时间间隔发送数据，例如某型号自动气象站，每3 秒输出1 次风向风速数据，每30 秒输出1 次温湿压数据，每60 秒输出1 次雨量数据，每10 秒输出1 次设备状态数据等。这种情况下由于无法设定准确的超时阈值，从而使切换逻辑失效。

（3）自动气象观测系统的中央数据处理单元从传感器获取的数据并不是最终产品，这些数据只是采样值，还要完成平均、参量计算、极值挑选等后期加工。

以风数据为例，风向、风速的采样速率为每秒钟1 次，求3 秒钟、2 分钟、10 分钟的滑动平均值。3 秒钟的平均值为瞬时值。国际民航组织附件3 推荐的风数据平均算法包括滑动算术平均法和矢量平均法。为降低误差，国际民航组织附件3 中还定义了 “明显的不连续” 判定标准，防止外部原因的扰动对计算结果产生大的影响。

因此，对于数据的平均和极值计算，连续的、准确的数据是必要条件。在单独传输线路的系统中，如果来自传感器的数据中断，中央数据处理单元会对计算过程进行质量控制，停止向终端用户的数据显示；当数据恢复时，会按照标准进行“明显的不连续” 判定。而在冗余传输系统中，如果主用线路数据中断，比选逻辑判断数据超时后（超时阈值一般设置为1.5＊T，T 为采样间隔，对于风向风速数据，采样间隔3 秒，超时阈值4.5 秒），切换备用线路的数据进行传输；如果此时备用线路数据出现了延迟或提前（提前的原因是延迟后的传输系统堆积补发），中央数据处理单元就会得到错误的数据，并将其用于之后的计算中，给最终结果带来不可预料的误差。

多数据源冗余传输的质量控制

分析多数据源冗余传输系统中存在的问题，根本原因是通信传输环节缺少质量控制，自动气象观测系统自带的质量控制功能无法发挥作用。对于前文提到的问题（1）和（2），冗余传输系统不能发挥备份作用，此时传输系统相当于单系统运行，来自传感器的数据中断直接造成用户终端上数据显示的中断；但与问题（3）相比，中断数据服务远比向用户提供错误的数据要好很多，对用户造成的影响以及潜在的风险要轻很多。因此，多数据源冗余传输系统必须具备质量控制功能，并以零误差作为通信传输的设计原则。

（1）对每一帧来自传感器的数据报进行校验，并将校验结果作为数据源切换条件，传感器设备输出的数据报自身都有CRC 校验码，比选软件必须对数据报进行校验检查，对校验失败的数据丢弃处理。

（2）对于自动气象站等多种数据集成的设备，比选软件应具备分别处理的能力，而不仅仅是以固定的超时阈值进行判定，根据对数据报的识别判定出预期的下一份数据报到达时间，以此作为数据是否超时、数据源是否可用的判定依据。

（3）除对同一数据源的数据报进行校验检查、超时判定之外，比选软件还应对多个数据源的数据进行横向比对，建立连续的数据有效性判断逻辑，防止错误数据传出。